Um novo artigo na revista Science dá uma visão geral de quase três décadas de pesquisa em pontos quânticos coloidais, avalia o progresso tecnológico para essas especificações nanométricas de matéria semicondutora e pesa os desafios restantes no caminho para a comercialização generalizada desta tecnologia promissora com aplicações em tudo, desde TVs a coletores de luz solar altamente eficientes.
“Trinta anos atrás, essas estruturas eram apenas um assunto de curiosidade científica estudada por um pequeno grupo de entusiastas. Ao longo dos anos, os pontos quânticos se tornaram materiais de nível industrial explorados em uma variedade de tecnologias tradicionais e emergentes, algumas das quais já descobriram seu caminho para os mercados comerciais”, disse Victor I. Klimov, co-autor do artigo e líder da equipe de pesquisa de pontos quânticos no Laboratório Nacional de Los Alamos.
Muitos avanços descritos no artigo da Science se originaram em Los Alamos, incluindo a primeira demonstração de lasing de ponto quântico coloidal, a descoberta da multiplicação de portadores, pesquisa pioneira em diodos emissores de luz de ponto quântico (LEDs) e concentradores solares luminescentes, e estudos recentes de emissores de pontos quânticos.
Usando a química coloidal moderna, as dimensões e a estrutura interna dos pontos quânticos podem ser manipuladas com precisão quase atômica, o que permite um controle altamente preciso de suas propriedades físicas e, portanto, do comportamento em dispositivos práticos.
Uma série de esforços contínuos em aplicações práticas de pontos quânticos coloidais exploraram a sintonia controlada por tamanho de sua cor de emissão e rendimentos quânticos de alta emissão perto do limite ideal de 100 por cento. Essas propriedades são atraentes para telas e iluminação, as tecnologias em que os pontos quânticos são usados como fósforos de conversão de cores. Devido à sua banda estreita, emissão espectralmente ajustável, os pontos quânticos permitem pureza de cor aprimorada e cobertura mais completa de todo o espaço de cores em comparação com os materiais de fósforo existentes. Alguns desses dispositivos, como as TVs de pontos quânticos, já atingiram a maturidade tecnológica e estão disponíveis no mercado comercial.
A próxima fronteira é a criação de LEDs tecnologicamente viáveis, alimentados por pontos quânticos acionados eletricamente. A revisão científica descreve várias abordagens para implementar esses dispositivos e discute os desafios existentes. Os LEDs Quantum já atingiram brilho impressionante e eficiências quase ideais perto dos limites definidos teoricamente. Muito desse progresso foi impulsionado por avanços contínuos na compreensão dos fatores de limitação de desempenho, como recombinação Auger não radiativa.
O artigo também discute o status e os desafios dos lasers de pontos quânticos processáveis por solução.
“Disponibilizar esses lasers beneficiaria uma gama de tecnologias, incluindo circuitos fotônicos integrados, comunicação óptica, plataformas lab-on-a-chip, dispositivos vestíveis e diagnósticos médicos”, disse Klimov.
Os pesquisadores de Los Alamos contribuíram com avanços importantes nesta área, incluindo a elucidação de mecanismos para amplificação de luz em nanoestruturas coloidais e a primeira demonstração de um efeito de laser usando esses materiais.
“O principal desafio atual é demonstrar lasing com bombeamento elétrico”, disse Klimov. “Los Alamos foi responsável por vários marcos importantes no caminho para este objetivo, incluindo a realização de ganho óptico com excitação elétrica e o desenvolvimento de dispositivos de função dupla que operam como um laser de bombeamento óptico e um LED acionado eletricamente padrão.”
Os pontos quânticos também são de grande utilidade potencial na colheita solar e tecnologias de detecção de luz. Devido ao seu intervalo ajustável, eles podem ser projetados para atingir uma faixa específica de comprimentos de onda, o que é especialmente atraente para a obtenção de fotodetectores baratos para a faixa espectral infravermelha. No reino das tecnologias de energia solar, os pontos quânticos coloidais têm sido explorados como elementos ativos de células solares e coletores de luz solar luminescente.
No caso da energia fotovoltaica (PV), a abordagem do ponto quântico poderia ser usada para realizar uma nova geração de dispositivos PV de filme fino baratos preparados por técnicas baseadas em soluções escalonáveis, como processamento rolo a rolo. Além disso, eles poderiam permitir esquemas de fotoconversão concebivelmente novos derivados de processos físicos exclusivos de partículas coloidais ultrapequenas “confinadas por quantum”. Um desses processos, a multiplicação de portadores, gera vários pares de elétron-buraco por um único fóton absorvido. Este processo, relatado pela primeira vez por pesquisadores de Los Alamos em 2004, tem sido o assunto de intensa pesquisa no contexto de suas aplicações em PVs e fotoquímica solar.
“Outra área altamente promissora são os concentradores solares luminescentes de pontos quânticos ou LSCs”, disse Klimov. “Usando a abordagem LSC, pode-se, em princípio, converter janelas padrão ou laterais de parede em dispositivos de geração de energia. Junto com os módulos solares de telhado, isso poderia ajudar a fornecer energia limpa a um edifício inteiro. Enquanto o conceito LSC foi introduzido em 1970, ele realmente floresceu apenas recentemente devido à introdução de pontos quânticos especialmente projetados.”
Os pesquisadores de Los Alamos contribuíram com muitos avanços importantes para o campo LSC, incluindo o desenvolvimento de abordagens práticas para lidar com o problema de auto-absorção de luz e desenvolver dispositivos de duas camadas (tandem) de alta eficiência. Várias start-ups, incluindo um spin-off de Laboratório, UbiQD Inc., têm buscado ativamente a comercialização de uma tecnologia LSC de ponto quântico.
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